Field-free control of magnetism in nanostructured materials probed with high resolution X-ray microscopy

Magnetic memories are a backbone of today's digital data storage technology, where the digital information is stored as the magnetic configuration of nanostructured ferromagnetic bits. Currently, the writing of the digital information on the magnetic memory is carried out with the help of magnetic fields. This approach, while viable, is not optimal due to its intrinsically high energy consumption and relatively poor scalability. For this reason, the research for different mechanisms that can be used to manipulate the magnetic configuration of a material is of interest. In this thesis, the control of the magnetization of different nanostructured materials with field-free mechanisms is investigated. The magnetic configuration of these nanostructured materials was imaged directly with high resolution x-ray magnetic microscopy. rnFirst of all, the control of the magnetic configuration of nanostructured ferromagnetic Heusler compounds by fabricating nanostructures with different geometries was analyzed. Here, it was observed that the magnetic configuration of the nanostructured elements is given by the competition of magneto-crystalline and shape anisotropy. By fabricating elements with different geometries, we could alter the point where these two effects equilibrate, allowing for the possibility to tailor the magnetic configuration of these nanostructured elements to the required necessities.rnThen, the control of the magnetic configuration of Ni nanostructures fabricated on top of a piezoelectric material with the magneto-elastic effect (i.e. by applying a piezoelectric strain to the Ni nanostructures) was investigated. Here, the magneto-elastic coupling effect gives rise to an additional anisotropy contribution, proportional to the strain applied to the magnetic material. For this system, a reproducible and reversible control of the magnetic configuration of the nanostructured Ni elements with the application of an electric field across the piezoelectric material was achieved.rnFinally, the control of the magnetic configuration of La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) nanostructures with spin-polarized currents was studied. Here, the spin-transfer torque effect was employed to achieve the displacement of magnetic domain walls in the LSMO nanostructures. A high spin-transfer torque efficiency was observed for LSMO at low temperatures, and a Joule-heating induced hopping of the magnetic domain walls was observed at room temperatures, allowing for the analysis of the energetics of the domain walls in LSMO.rnThe results presented in this thesis give thus an overview on the different field-free approaches that can be used to manipulate and tailor the magnetization configuration of a nanostructured material to the various technological requirements, opening up novel interesting possibilities for these materials.

Magnetische Speicher sind wichtige Bausteine für die heutige Informationstechnologie aufgrund der Möglichkeit, die digitale Information als Zustand der Magnetisierung eines nanostrukturierten ferromagnetischen Materials permanent zu speichern. In der aktuellen magnetischen Speichertechnologie erfolgt das Schreiben des Magnetisierungszustands durch magnetische Felder, was wegen seines hohen Energiebedarf und der begrenzten Skalierbarkeit weiterer Optimierung bedarf. Die Untersuchung neuer Methoden, welche die Kontrolle der Magnetisierung ohne magnetische Felder ermöglichen, und daher eine aussichtsreiche technologische Weiterentwicklung derzeitiger magnetischer Speicher versprechen, ist von großem Interesse.rnDiese Arbeit beschäftigt sich mit der Kontrolle der Magnetisierung von nanostrukturierten ferromagnetischen Materialien mittels Methoden ohne Magnetfeld. Die Magnetisierungskonfiguration der nanostrukturierten Ferromagnete wurde durch hochauflösende Röntgenmikroskopie untersucht.rnZuerst wurde die Kontrolle der Magnetisierung in Heusler-Verbindungen durch nanostrukturierte Geometrien untersucht. Bei diesen Versuchen wurde beobachtet, dass der Magnetisierungszustand dieser Legierungen die Folge eines Wettbewerbs zwischen der magnetokristallinen und der Formanisotropie ist. Dies ermöglichte es, durch die gezielte Auswahl der Geometrie der Nanostrukturen den Magnetisierungszustand reproduzierbar zu verändern.rnWeiterhin wurde die Kontrolle der Magnetisierung von Nickel-Nanostrukturen durch die magnetoelastische Kopplung analysiert. Hierbei wurden die Nanostrukturen durch eine mechanische Spannung (generiert durch ein piezoelektrisches Substrat) deformiert und die Änderungen der Magnetisierung untersucht. Für diese Materialkombination wurde eine reproduzierbare reversible Kontrolle der Magnetisierung beobachtet.rnAls letztes wurde die Möglichkeit untersucht, die Magnetisierung von nanostrukturiertem La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) mittels spin-polarisierten Strömen zu kontrollieren, welches auf dem Prinzip des Spin-Drehimpuls-Übertrags basiert. Für dieses Material und Methodik konnte eine hohe Übertragungseffizienz bei niedrigen Temperaturen und eine dominierende Joule'sche Erwärmung bei Raumtemperatur beobachtet werden. Zusätzlich wurde die Energie der magnetischen Domänwandzustände des LSMO untersucht.rnDie Ergebnisse dieser Arbeite zeigen somit einen Überblick der unterschiedlichen Möglichkeiten einer Kontrolle der Magnetisierung ohne Magnetfeld von nanostrukturierten Materialien und eröffnen neue interessante, technologische Möglichkeiten für diese Materialien.